In onderzoek dat zou kunnen leiden tot betere gasmaskerfilters, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) hebben de röntgenstraling in de schijnwerpers gezet op composietmaterialen in ademhalingstoestellen die door het leger worden gebruikt, politie, en eerstehulpverleners, en de resultaten waren bemoedigend. Wat ze leren, biedt niet alleen geruststellend nieuws over de effectiviteit van de huidige filters bij het beschermen van mensen tegen dodelijke verbindingen zoals VX en sarin, maar ze bieden ook fundamentele informatie die zou kunnen leiden tot meer geavanceerde gasmaskers en beschermende uitrusting voor civiele toepassingen.

Het project bij Berkeley Lab wordt geleid door Hendrik Bluhm, een senior stafwetenschapper met gezamenlijke aanstellingen in de Chemical Sciences Division en de Advanced Light Source (ALS). In zijn team zitten twee postdoctorale onderzoekers van de afdeling Chemische Wetenschappen, Lena Trotochaud en Ashley Head. Het Berkeley Lab-team maakt deel uit van een grotere samenwerking met onderzoekers van de University of Maryland in College Park, Johns Hopkins-universiteit, en het U.S. Naval Research Laboratory.

De onderzoekers wezen erop dat het bestuderen van de interactie van metaaloxiden met kleine organofosfaten relevant kan zijn buiten de gasmaskers die door het leger en de hulpdiensten worden gebruikt. Het werk dat ze doen kan toepassingen hebben in detectietechnologieën. In aanvulling, minder krachtige vormen van organofosfaten worden veel gebruikt als pesticiden en herbiciden, dus de bevindingen kunnen de landbouwindustrie en milieuwetenschappers helpen begrijpen wat er uiteindelijk met deze stoffen gebeurt nadat ze in het milieu zijn vrijgekomen.

"Dit is een project waar we aan werken om levens te redden, "zei Trotochaud. "Dat geeft veel voldoening."

voor hoofd, het project zorgde voor een bijzonder relevant gespreksonderwerp op familiebijeenkomsten.

"Mijn schoonzus zit bij de luchtmacht, " zei Head. "Ik vertelde haar wat ik doe, en ze zei, 'Als ik uitgezonden word, Ik krijg een gasmasker. Werkt het?' Ze vertelt haar collega's waar ik mee bezig ben. Zoveel van wat we in de basiswetenschap doen, staat ver af van een toepassing. Hoewel ons werk nog steeds fundamenteel is, Ik kan nu mijn familie vertellen wat ik doe, en ze zullen het echt begrijpen."

Werken de maskers?

De huidige gasmaskerfilters gaan de huidige bedreigingen tegen, maar er zijn grote hiaten in de kennis over hoe ze dat doen op moleculair niveau, aldus de onderzoekers. De vraag rijst omdat veel van de filters zijn ontwikkeld om een ​​breed scala aan steeds veranderende chemische bedreigingen aan te kunnen en om onder verschillende omstandigheden over de hele wereld te werken. Tijdens de Eerste Wereldoorlog, middelen voor chemische oorlogsvoering waren voornamelijk chloor- en mosterdgassen.

Vanaf dat moment, een nieuwe klasse van chemische wapens kwam op het toneel. Sarin en giftig middel X, of VX, zijn zenuwgassen zo genoemd omdat ze interfereren met het vermogen van het zenuwstelsel om met spieren te communiceren, inclusief degenen die de ademhaling beheersen. De huidige materialen die in gasmaskerfilters worden gebruikt, bieden een effectieve bescherming tegen al deze verbindingen, ondanks de zeer verschillende chemische eigenschappen van de gassen.

Gasmaskerfilters bevatten actieve kool, een familie van absorptiemiddelen die gifstoffen in miljoenen microporiën opsluiten. Het is dezelfde verbinding die wordt gebruikt om water te filteren en de inname van vergiften te behandelen. De actieve kool vangt de gifstoffen op, maar in gasmaskers wordt het verder aangevuld met metaaloxiden, zoals koper en molybdeen, om de gifstoffen te helpen afbreken.

"Hoewel de eerste gasmaskerfilters werden ontwikkeld voordat deze nieuwe zenuwgassen opkwamen, de huidige filters zijn effectief in het vastleggen ervan, en ze schijnen ook goed te zijn in het afbreken ervan, maar we hebben nog wat vragen over de chemie van dit proces, "zei Trotochaud. "We weten dat het werkt, maar we weten niet altijd hoe het mislukt. We weten dat de filters soms na een tijdje niet meer werken wanneer ze worden blootgesteld aan deze organofosforverbindingen, dus de chemie van hoe het materiaal wordt gedeactiveerd na blootstelling aan deze middelen is een groot deel van wat we bestuderen."

De onderzoekers van Berkeley Lab richtten zich op twee metaaloxiden - molybdeenoxide en koperoxide - die belangrijke werkcomponenten zijn in gasmaskerfilters. Om de kleine organofosformoleculen van sarin en VX te simuleren, werkten de onderzoekers met dimethylmethylfosfonaat (DMMP), een gevestigde proxy voor sarin met vergelijkbare functionele groepen maar aanzienlijk lagere toxiciteit.

Het doel is om de moleculaire interacties die optreden als verschillende gassen worden geadsorbeerd door de filtermaterialen van het gasmasker beter te begrijpen, en de omgevingsomstandigheden – luchtvervuiling, diesel brandstofuitlaat, water – dat de prestaties en houdbaarheid kan veranderen, zodat er nog betere materialen kunnen worden ontwikkeld.

"Veel van ons vroege werk was gericht op karakterisering, " zei Bluhm, hoofdonderzoeker van het project. "Er moesten veel details worden opgelost. Wat doet koperoxide precies? Wat doet molybdeenoxide? Waarom gedraagt ​​de ene zich anders dan de andere? Als je begrijpt waar de verschillen zitten, kunnen deze filtratiematerialen potentieel veel efficiënter worden."

De effecten van waterdamp waren van bijzonder belang vanwege de manier waarop de maskers worden gebruikt, merkte Bluhm op.

"Het is een filtermasker dat voor onze mond zit, dus er is een hoge luchtvochtigheid als we erin ademen, " zei hij. "Een van de gepubliceerde bevindingen van ons project is dat waterdamp neutraal of zelfs gunstig lijkt te zijn voor de prestaties van de materialen."

Dit werd gemeld in een onderzoek uit 2016, die ontdekte dat blootstelling aan water het composietoppervlak activeerde op een manier die de binding van het DMMP-molecuul vergemakkelijkte, het verlagen van de energie die nodig is om het molecuul af te breken.